DE3702804C2 - Vorrichtung zur Divergenzänderung von Röntgen- oder Neutronenstrahlenbündeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Divergenzänderung von Röntgen- oder Neutronenstrahlenbündeln mit mindestens ei­ nem Kristall, der um einen bestimmten Winkel A divergierende Strahlen eines Bündels von Röntgen- oder Neutronenstrahlen unabhängig vom Ort der Reflexion nach der Bragg′schen Re­ flexion (sin T = L/2d) reflektiert.

Wissenschaftliche Erfahrung ist:

1. Röntgenwellen werden - im Gegensatz zu Wellen des sichtba­ ren Lichtes - in Materie nur äußerst schwach gebrochen. Ana­ loges gilt für "Neutronenoptik".

Gegenwärtig gibt es zwei Möglichkeiten, spezielle röntgenoptische Strahlengänge anders als durch Brechung zu realisieren:

• a) Bei sehr flachem Einfall auf ebene Flächen (Eintritts­ winkel Bruchteile von 1 Grad) erfolgt für alle Wellen­ längen Totalreflexion.
• b) An den regelmäßigen Atomebenen von Kristallen erfolgt Interferenz-Reflexion gemäß der Bragg′schen Gleichung sin T = L/2d.

Je nach dem Abstand d der Gitterebenen und der Wellen­ länge L können Braggwinkel T zwischen einigen Grad und 90 Grad auftreten. Dabei ist - bezüglich der Gitter­ ebenen - Eintrittswinkel = Austrittswinkel = T, vergleich­ bar mit optischer Spiegelung. Die Gesamtablenkung beträgt also 2T.

2. Totalreflexion nach (1a) benutzt man z. B. in der Astronomie zur Herstellung von Röntgenteleskopen. Um die parallel von einem Röntgenstern einfallende Strahlung auf einen Punkt, den Detektor, zu konzentrieren, müssen die reflektierenden Flächen rotationssymmetrisch in genau berechneter Weise gekrümmt und ihre Oberflächen extrem glatt sein (Ver­ edelung, Politur).

3. Bragg'sche Reflexion nach (1b) kann man, wenn sie un­ symmetrisch erfolgt (Kristalloberfläche nicht parallel zu den "spiegelnden" Atomebenen), benutzen, um aus einem breiten parallelen Strahlenbündel ein schmales zu machen - und umgekehrt. Die Divergenz ändert sich dabei nicht. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, treffen zueinander parallele Strahlen 1 auf einen Kristall 2 auf, dessen Oberfläche 3 zu den "spiegelnden" Atomebenen 4 nicht parallel ist. Die Strahlen 1 fallen unter dem Winkel T zu den Atomebenen 4 auf den Kristall 2 auf und werden unter dem Winkel T zu den Atomebenen 4 reflektiert.

4. Bragg'sche Reflexion nach (1b) ist aber auch das Mittel der Wahl, um Kristall-Monochromatoren herzustellen. Mit ihnen läßt sich zweierlei erreichen: aus der "weißen", Strahlung der Röntgenröhre wird eine ganz bestimmte, für ein Experiment benötigte Wellenlänge herausgefiltert, und: mit einem gebogenen Monochromator-Kristall kann man divergent aus der Röntgenröhre austretende Strahlung bündeln, so daß sie in einen Punkt zu hoher Intensität konzentriert wird - dahinter jedoch mit derselben Divergenz weiterläuft. Hierfür ein Beispiel anhand der Fig. 2.

Zwei von einer punktförmigen Quelle 5 ausgehende und um einen Winkel A divergierende Strahlen 6 werden an zwei Kristallen 7, 8 gleichen Netzebenenabstandes so reflek­ tiert, daß die abgelenkten Strahlen 9 noch in der Ebene der ursprünglichen Strahlen 6 liegen. Die Strahlen 9 besitzen immer noch dieselbe Divergenz A, gleichgültig, an welchen Orten die Reflexionen stattfinden. Dies wird ausgenutzt z. B. beim Johannson-Monochromator: Ein per­ fekter Kristall wird mit einem Radius R gekrümmt und seine Oberfläche mit dem Radius 2R geschliffen und damit werden alle Strahlen einer Wellenlänge aus einer Quelle in einen Punkt reflektiert. Dort wird eine Blende auf­ gestellt, und man hat ein monochromatisches aber divergentes Strahlenbündel.

5. Die wichtigste wissenschaftliche Anwendung von Röntgen- und Neutronenstrahlen ist die Strukturanalyse, d. i. die Ermittlung des atomaren Aufbaus der Materie. Dabei läßt man ein fein ausgeblendetes Bündel auf die meist nur mm große Probe fallen. Ist dieses monochromatisch, so verwendet man Proben mit unorientierten Netzebenenrich­ tungen oder man muß kristalline Proben im Strahl drehen, ist es polychromatisch ("weiß"), so kann man die kristalline Probe stehen lassen und für jede Netzebenen­ richtung wird die passende Wellenlänge "ausgewählt". Ein allgemeines Problem ist bei diesen Verfahren die Schwäche der auftretenden Reflexe und die daraus folgenden langen Meßzeiten. Dagegen helfen nur stärkere Quellen: Für Röntgen­ strahlen ist dies die Drehanodenröhre mit etwa zehnfacher Intensität oder das Synchrotron mit (für einen Wellenlängen­ bereich, der der "charakteristischen" Strahlung entspricht) höchstens hundertfachen Intensität gegenüber der gewöhnli­ chen Röntgenröhre. Für Neutronenstrahlen müssen spezielle Hochleistungs-Reaktoren gebaut werden. Aus Röntgenröhren und Neutronenquellen ist aber unter Anwendung der bekannten Techniken weit weniger als ein Millionstel der entstandenen Strahlung nutzbar - nämlich der Teil, der in gerader Linie von der Quelle zur Probe verläuft, weil eine Ablenkung aller anderen Strahlen gleicher Wellenlänge in dieselbe Richtung bei Verwendung von Kristallen mit konstantem Netzebenenab­ stand nicht gelingen kann.

Bei einer bekannten Vorrichtung zur Divergenzänderung von Röntgenstrahlenbündeln gemäß den wesentlichen Merkmalen des Ober­ begriffs des Patentanspruchs 1 (DD-PS 2 06 599), mit mindestens einem Kristall, der divergierende Röntgenstrahlenbün­ del unabhängig vom Ort der Reflexion nach der Bragg'schen Reflexion reflektiert, findet eine mit einer speziellen Ein­ richtung gekrümmte dünne Kristallscheibe als Kristall Ver­ wendung. Strahlen, die auf verschiedenen Punkten der Kri­ stalloberfläche auftreffen, erfahren somit eine Bragg'sche Reflexion, wobei die hierbei zugrunde zu legenden Kristall­ gitter-Ebenen, die in die Bragg-Bedingung über den Gitterab­ stand eingehen, jeweils etwas unterschiedlich orientiert sind, und somit zu verschiedenen Reflexionsrichtungen füh­ ren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß im Vergleich zum Stand der Technik ein wesentlich größerer Teil der aus künstlichen Quellen stammenden Strahlung nutzbar gemacht wird. Gleichzeitig soll die Möglichkeit zu geeigneten Un­ tersuchung natürlicher Strahlenquellen, z. B. siderischer Strah­ lenquellen sowie die Grundlagen für eine allgemeinere Optik für Röntgen- und Neutronenstrahlen geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kri­ stall unterschiedliche Gitterabstände aufweist, die stetig vom Ort im Kristall abhängen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Strahlenoptik, die darauf beruht, Strahlen um beliebige Winkel abzulenken und die Divergenz von Strahlenbündeln zu verändern (Linse, Hohlspiegel), kann mit Kristallen konstanter Gitterparameter nicht betrieben werden.

Anders, wenn der Netzebenenabstand des einen Kristalls in bestimmter Weise verändert ist: Verdreht man diesen Kristall im Gegensatz zum ersten Fall nicht um den Winkel A, sondern nur um A/2 in bezug auf den anderen und ändert zusätzlich den Netzebenenabstand so, daß die Bragg-Reflexion jetzt unter dem Winkel T + A/2 stattfinden kann, so laufen beide reflek­ tierten Strahlen parallel, wiederum unabhängig von den Orten der Reflexion. Durch geeignete Wahl dieser Orte kann man außerdem erreichen, daß beide reflektierten Strahlen nahe beieinander liegen.

Alle im Winkelbereich zwischen den beiden Strahlen aus der Quelle austretenden Strahlen lassen sich auf entsprechende Weise parallel in den schmalen Raum zwischen diese beiden reflektierten Strahlen lenken, wenn sich erstens die Neigung der Netzebenen zwischen den beiden genannten Orten der Reflexion kontinuierlich von O bis A/2 ändert. Dies ist erstens durch geeignete Biegung des Kristallgitters zu erreichen - solche Verbiegungen sind an sich bekannt - und wenn zweitens der Netzebenenabstand in entsprechender Weise variiert wird. Variationen (5%/cm) sind durch variable Dotierung während des Kristallwachstums möglich geworden.

Damit gelingt die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Konzentration eines divergenten Bündels auf einfache Weise. Diese Überlegungen beziehen sich allerdings erst auf das Geschehen innerhalb der Strahlenebene. Zur Erweiterung auf räumlich divergente Bündel muß eine weitere Reflexion in einer senkrechten Ebene nachgeschaltet werden.

Um die Möglichkeit zur geeigneten Untersuchung natürlicher Strahlenquellen, z. B. siderischer Strahlenquellen zu schaffen, ist die Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart angebracht, daß ein - z. B. aus dem Weltraum - auf­ treffendes paralleles Bündel von Röntgen- oder Neutronen­ strahlen am Delta-Kristall auf einen im Vergleich zu seiner Ausdehnung um ein Vielfaches verringerten Raumbereich (Detektor) konzentriert und daß Strahlen, die aus Richtungen einfallen, die um weniger als eine Winkelminute abweichen, unreflektiert bleiben.

Ein breites paralleles monochromatisches Bündel geringer Intensität auf einen Detektor zu konzentrieren, ohne daß dabei Strahlen aus anderen Raumrichtungen registriert werden, gelingt leicht nach dem Prinzip von C1 unser Um­ kehrung des Strahlengangs.

Mit Hilfe dieser Kristalle besteht die Möglichkeit, sowohl aus einem divergenten Strahlen-Bündel ein paralleles als auch umgekehrt aus einem parallelen Bündel ein konver­ gentes zu machen. Zusammengenommen entspricht dies genau der Wirkung einer Konvex-Linse in der Lichtoptik. Damit ist prinzipiell jedes optische Gerät simulierbar, welches mit solchen Linsen konstruiert wird, also z. B. die Lupe, das Mikroskop und das Fernrohr.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nun anhand der Fig. 3 bis 5 der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Prinzips der Vorrichtung mit zwei verschiedenen Kristallen, auf die aus einer punktförmigen Quelle austretende Strahlen auftreffen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit einem Kristall, auf dem von einer punktförmigen Quelle austretende Strahlen auftreffen,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit dem Kristall, auf dem ein Bündel paralleler Strahlen auftrifft.

Fig. 3 verdeutlicht das Prinzipielle der Vorrichtung, wobei von zwei im Abstand angeordneten, unterschiedlichen Kristallen 10 und 11 der Kristall 11 in bezug auf den Kristall 10 um den Winkel A/2 verdreht ist. Der Netzabstand des Kristalls 10 ist in bezug auf den des Kristalls 10 so geändert, daß die von einer punktförmigen Quelle 12 austretenden, um den Winkel A divergierenden und auf die beiden Kristalle 10 und 11 auftreffenden Strahlen 13 bzw. 14 gemäß der Bragg'schen Reflexion unter dem Winkel T + A/2 reflektiert werden. Die reflektierten Strahlen 15 bzw. 16 laufen, unabhängig von den Orten der Reflexion, beide parallel.

Fig. 4 zeigt schematisch die Vorrichtung mit einem Kristall 17, der so strukturiert ist, daß gemäß Fig. 1 die von der punktförmigen Quelle 12 ausgehenden, um den Winkel A divergierenden Strahlen 13, 14 nach der Bragg'schen Reflexion am Kristall 17 eine geänderte Divergenz aufweisen. Die Oberfläche 18 des Kristalls 17, auf die die Strahlen 13, 14 auftreffen ist zu den "spiegelnden" Atomebenen 19 nicht parallel. Die reflektierten Strahlen 15 bzw. 16 laufen, unabhängig vom Ort der Reflexion, zueinander parallel.

Fig. 5 zeigt schematisch die Vorrichtung mit dem Kristall 17, auf dessen Oberfläche 18, im zu Fig. 4 umge­ kehrten Prinzip, ein breites Bündel paralleler monochroma­ tischer Strahlen 20 geringer Intensität auffällt, das nach Reflexion die reflektierten Strahlen 21 durch den Kristall 17, dessen Atomebenen 19 zu der Oberfläche 18 nicht parallel sind, in einem Detektor 22 konzentriert sind. Strahlen aus anderen Raumrichtungen werden dabei nicht registriert.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Divergenzänderung von Röntgen- oder Neu­ tronenstrahlenbündeln mit mindestens einem Kristall, der um einen bestimmten Winkel A divergierende Strahlen ei­ nes Bündels von Röntgen- oder Neutronenstrahlen unabhän­ gig vom Ort der Reflexion nach der Braggschen Reflexion,
(sin T = L/2d),
reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (17) unterschiedliche Gitterabstände aufweist, die ste­ tig vom Ort im Kristall (17) abhängen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterebenen verbogen und/oder entsprechend ge­ schliffen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterebenen so gebogen sind, daß ihre Neigungen sich zwischen den beiden Orten der Reflexion der um den be­ stimmten Winkel A divergierenden Strahlen (13, 14) des auf­ treffenden Bündels kontinuierlich von O bis A/2 ändern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Variationen der Gitterabstände im Kristall (17) mehrere %/cm, insbesondere bis zu 5%/cm betragen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterabstandsänderung, die Gitterbiegung und die Gestalt der reflektierenden Oberfläche (18) in Kombination so gewählt sind, daß ein um mehrere Winkelgrade divergie­ rendes Bündel von Röntgen- oder Neutronenstrahlen einer Wellenlänge so reflektiert wird, daß das reflektierte Bün­ del in einer Ebene eine Divergenz von weniger als einem Winkelgrad besitzt und auf einen so schmalen Bereich kon­ zentriert ist, daß eine im Vergleich zur Energiedichte des einfallenden Bündels vervielfachte Energiedichte auftritt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Orte der Reflexion so gewählt sind, daß die reflektier­ ten Strahlen (15, 16) nahe beieinander liegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein auftreffendes paralleles Bündel von Röntgen- oder Neu­ tronenstrahlen an dem Kristall auf einen im Vergleich zu seiner Ausdehnung um ein Vielfaches verringerten Raumbe­ reich konzentriert wird, und daß Strahlen, die aus Richtun­ gen einfallen, die davon um weniger als eine Winkelminute abweichen, unreflektiert bleiben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei derartige Kristalle (17) räumlich zueinander derart angeordnet sind, daß die Konzentration der reflektierten Strahlen in zwei aufeinander senkrecht stehenden Ebenen stattfindet, wobei die Energiedichte entsprechend gestei­ gert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere derartige Kristalle (17) räumlich zueinander derart angeordnet sind, daß einfallende Röntgen- oder Neutronenstrahlen Richtungsänderungen erfahren, die der Wirkung einer optischen Linse entsprechen.